钽酸锂黑片的制备与性能研究

龙 勇，于明晓，李和新，石自彬，王 璐，丁雨憧，徐 扬，吴兆刚

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

自1965年第一根钽酸锂(LiTaO3,LT)晶体问世以来，由于其优秀的压电、铁电、热释电、声光、电光和非线性光学性质，已在声表面波(SAW)滤波器、电光调制器、二次谐波发生器、Q 开关及集成光学等方面得到了广泛的应用。尤其因其卓越的压电性质而大量用作SAW滤波器的衬底材料[1-4]。目前，在制作频率3 GHz以下SAW器件衬底材料中，LT具有明显的优势，无其他材料可完全替代。因此，LT晶体也被称为无线通讯中最重要的基础材料之一。

LT晶片具有较高的热释电系数(2.3×10-4C/(m2·K))，在SAW滤波器制作程中会产生强烈的热释电效应[5]，易对叉指指条造成静电损伤，而SAW器件频率越高，指条越细，越易产生静电损伤，严重影响高频器件的开发。LT晶片经过还原处理，能有效降低热释电效应。还原程度主要取决于还原剂、温度、时间等。这种处理会明显增加晶体的光学吸收,使其表面变灰到棕黑甚至不透明,因此也称为黑片[6]。

本文以SAW器件常用的42°Y-LT晶片作为研究对象，对不同工艺条件下得到的晶片的电学、光学、热学等性质进行了表征，最后通过做成声表器件进行流片实验，对材料的抗静电能力和一致性进行了验证。

1 实验

1.1 晶片黑化

实验所用的LT晶体采用提拉法，在惰性气氛或含少量氧气的惰性气氛环境下进行生长，然后对其进行退火、极化处理。最后经过定向、滚圆、切割、研磨、抛光等过程，制作成LT晶片。加工后的晶片视觉上呈现白色，俗称白片。将加工好的LT晶片分别从头至尾编号，用于黑化实验。

黑化处理设备采用程控真空还原设备，炉体采用优质合金电阻丝，五段加热方式；具有可编程的升、降温和温度梯度控制功能，整个过程均采用程序自动控制。将待处理的LT晶片依次放入坩埚容器中，加入预先按一定比例混合均匀的第Ⅳ族非金属元素和碳酸盐粉末所制的混合料，将晶片完全包埋其中，然后将此坩埚放置于热处理炉中，在真空或惰性或还原性流动气氛下，在400～600 ℃温度条件下进行还原处理，5～40 h后降至室温取出，即得到LT黑片。图1为不同黑化处理工艺参数下获得的LT晶片。

图1 不同黑化处理的LT晶片照片

1.2 晶片性能测试

利用TH2683A/B型绝缘电阻测试仪采用三电极法[7]对黑化处理后的LT晶片体电阻进行测量，根据ρv=RxA/h(其中ρv为体积电阻率,Rx为体积电阻,A为被保护电极的有效面积,h为试样的平均厚度)可计算出电阻率。

将LT晶片双面抛光，在晶片上随机选取4个点，对其进行透过率测试。在365 nm处取透过率最大值Tmax和最小值Tmin，透过率均匀性ΔT=(Tmax-Tmin)×100。ΔT值越小，代表晶片均匀性越好。测试仪器采用PE lambda900型紫外-红外分光光度计，波长测量范围为200～3 200 nm。

采用LFA型激光法导热分析仪测试晶片的热导率，NETZSCH DIL 402型热膨胀仪测试晶体的热膨胀系数，测试温度为26.5～160 ℃，测试样品为5 mm×5 mm×0.25 mm方片。

将还原处理后的LT晶片进行流片实验，用来验证晶片的抗静电能力与一致性。

2 实验结果与讨论

2.1 电阻率测试

分别对不同还原工艺处理的LT晶片进行了电阻率测试，测试电压为1 000 V，1 min后读取电阻值，采用ρv=RxA/h计算出晶片的电阻率，测试结果如表1所示。

表1 不同还原处理工艺下LT晶片的电阻值率

由表1可知，处理时间越长，处理温度越高，则晶片颜色越深，电阻率越小。

虽然LT黑片有效地减少了晶片的热释电效应，但过黑的LT晶片会对SAW滤波器的插入损耗造成影响，还易导致晶片的加工性差。根据SAW器件用基片采购规范(Q/UE 434—2014)，晶片电阻率在1010Ω·cm量级范围内,可同时兼顾晶片可加工性和防静电损伤的特点。

关于LT晶片导电机理目前还未有统一的观点，普遍认为[8]：晶片黑化是利用还原原理，在还原环境中，氧从晶体中向外扩散，提高了氧空位的浓度，氧空位获得一个电子形成F色心(F+)，增强了电导率；同时，色心在可见光区域吸收较强，使晶片颜色发黑。氧空位浓度增加的同时，一部分离子的化合价从+5变成+4，电子载流子浓度随之增加。因此，经过还原处理，晶体内载流子的浓度增加，从而降低了晶片的电阻率。

2.2 透过率与透过率均匀性测试

对其中的1、3、5号LT晶片(白色、灰黑色、黑色)进行双面抛光，并对其透过率及其均匀性进行了测试，透过率测试结果如图2所示。

图2 不同黑化程度LT晶片透过率对比

由图2可知，不同黑化程度的LT晶片的吸收边均在270 nm左右。在波长1 500 nm以下(包括可见光波段)，晶片颜色越深，透过率越低，说明还原处理改变了晶片的光学吸收，从而引起外观颜色的变化；在波长1 500 nm以上，透过率约为80%。在365 nm处的透过率及其均匀性测试结果如表2所示。

表2 LT晶片在365 nm处透过率

由表2可知，在波长365 nm处，随着黑化程度加深，黑片透过率由69.8%逐渐降至36.5%左右，这将有利于消除光刻时反射光造成的衍射，从而有助于提高光刻精度[9]。同时，5号工艺LT黑片的透过率均匀性ΔT指标(1.15)与国外对标产品(1.14)相近，有助于提高器件制作的一致性。

2.3 热导率与热膨胀系数测试

对其中的1号(白片)和5号(黑片)晶片进行了热导率及热膨胀系数测试，测试结果如表3所示。由表可知，经过黑化处理后，晶片的热导率及热膨胀系数均降低。

表3 晶片热导率及热膨胀系数

影响材料热导率的因素主要在于材料的有序度，有序度越高，平均自由程越大，导致热导率也越大。评价有序度的高低，主要从以下两方面考虑[10]：

1)格点质量均匀程度。

2)材料中的缺陷多少。LT晶片经过还原处理后，晶格参数和晶胞体积轻微地减小，密度略微增加[8]，导致格点质量均匀程度降低，有序度下降；同时，还原处理氧空位的增加也会导致有序度降低,使黑化处理后的LT晶片热导率降低。

由于还原处理后LT晶片的键长变短，导致原子间的键合力强，故热膨胀系数降低。在滤波器制作过程中，晶片的热膨胀系数的降低有利于光刻设备识别对位标记。

2.4 器件流片实验

采用与5号还原处理工艺相同的同批次LT晶片进行了流片实验，其SAW器件采用阻抗元结构，这种结构的滤波器对热释电特别敏感，即使采用阶梯烘烤也会造成部分器件性能恶化。首先经过前道工序清洗、涂胶、曝光、显影和镀膜均无异常；在粘片后采用直接烘烤来验证还原效果，未发现烧伤晶片，证明晶片抗静电能力效果明显；最后进行电性能一致性分析，测试结果如表4所示。SAW滤波器中心频率分散图如图3所示。由表4和图3可知，SAW器件成品率较高，一致性好。

表4 SAW滤波器测试结果

图3 中心频率分散情况图

3 结束语

在不同温度、保温时间下，对42°Y-LT晶片进行了还原处理，得到不同颜色的晶片。经电阻率、透过率、透过率均匀性、热导率、热膨胀系数等性能测试，同时进行了声表面波滤波器的流片实验。结果表明，还原处理降低了晶片电阻率、透过率、热导率和热膨胀系数，晶片抗静电能力效果明显，器件一致性较好，成品率较高。